近55年來青海省海東市氣候變化特征及影響因子分析

裴玉芳,祁棟林,張啟發,趙全寧

(1.青海省民和縣氣象局,青海 川口鎮 810801; 2.青海省氣象科學研究所,青海 西寧 810001;3.青海省防災減災重點實驗室,青海 西寧 810001)

近幾十年來,全球氣候變暖對人們生活和經濟發展的影響已成為熱點問題。有研究表明,近百年來全球氣候變化的主要特征是變暖,IPCC第五次氣候評價報告指出,近50年中國的變暖更加明顯,大約為0.62～0.94℃,已引起了全社會的高度重視[1]。目前,國內學者在氣候變化方面開展了許多的分析工作[2-10],不同區域氣候變化特征既有相似之處亦有區域差異。任國玉等[2]和唐國利等[3]研究指出，中國地表年平均氣溫明顯增暖,各地對氣候變暖的響應并不相同,氣溫變化具有明顯的季節性和區域性差異；唐紅玉等[4]分析認為,中國年和季平均最低氣溫的增暖幅度明顯大于平均最高氣溫的增暖幅度；虞海燕等[5]對全國194個氣象站1951-2009年日照、溫度、風速和降水資料進行分析研究得出,全國年日照時數、風速等均呈現顯著減少趨勢。李鵬飛等[6]指出,干旱區東部地區降水量呈減少趨勢，西部地區降水量呈增多趨勢。李棟梁等[7]闡述了西北地區氣候正由暖干向暖濕轉型的情況。汪青春等[8]研究顯示，1961～2007年青海氣溫變化趨勢與同期全國氣溫變化趨勢基本一致,變暖的季節主要是冬季,年降水量略呈增多趨勢,降水日數在減少。

目前,部分學者曾對青海省東部農業區或河湟谷地近幾十年氣候變化特征進行研究[9-11]。陳曉光等[9]、趙燕寧等[10]和梅朵等[11]研究指出,青海省東部農業區或河湟谷地及西寧市年、季平均氣溫呈顯著增暖趨勢，年降水量則呈現減少趨勢；以上研究的氣候要素主要限于溫度等單一氣候因子,而對于地處東部農業區的海東市而言,對生態環境產生重要影響的能量供給因子(平均溫度、日照時數、云量) 、空氣動力因子(風速、沙塵日數) 和濕度因子(降水量、降水日數、相對濕度) 等氣候因子的變化特征的研究比較少，難以全面概括出青海省海東市氣候變化特征。

近幾十年來,有關海東市光、溫、濕、風等多種氣候要素變化趨勢和變化規律，尤其是對潛在蒸散量和地表濕潤指數的變化的研究,目前還較少見。因此,全面、客觀地分析海東市近55年來的氣候變化規律,對適應氣候變化,采取趨利避害的生態環境保護和工農業生產管理技術措施具有重要參考價值。

1 研究區域概況與資料方法

1.1 研究區域概況

海東市位于青海高原東部(35°26′～37°05′N,100 °41′～103 °04′E,海拔1 650～4 754 m),是西北干旱區的重要組成部分?，F轄樂都區、平安區、互助縣、民和縣、化隆縣、循化縣,總面積1.32萬km2,是青海省主要的工農業區和人口積聚區,也是青海省糧食主產區。由于受海拔高度、西風環流系統和季風的影響,氣候變暖,其水資源匱乏、水土流失和沙漠化嚴重，屬于典型的干旱、半干旱大陸性氣候和生態環境脆弱或惡劣地區。其地形地貌復雜，氣候基本特點是：高寒、干旱,日照時間長,太陽輻射強,晝夜溫差大,冬夏溫差小,海拔3 000 m以上的北部山區較寒冷,海拔1 700～2 500 m的黃河、湟水河谷地帶較溫暖。年平均氣溫3.2～8.6℃左右,年平均降水量在319.2～531.9 mm之間,集中在5-9月,冬末春初時期多大風天氣。

1.2 氣象資料

選取青海省海東市境內的互助、循化、化隆、樂都、民和等5個資料序列完整且具有較好代表性的氣象臺站(平安氣象站建站時間較晚未參加統計分析)1961-2015年逐月平均氣溫、降水量、降水日數(≥0.1 mm)、日照時數、風速、沙塵日數、云量、相對濕度、潛在蒸散量和相對濕潤度指數等氣候要素,并以5站各要素序列的算術平均值代表海東市氣候變化的時間序列，站點分布圖見圖1。

氣象季節劃分：春季(3-5月)、夏季(6-8月)、秋季(9-11月)和冬季(12月-次年2月),以1981-2010年平均值代表30年氣候平均值。

1.3 研究方法

1.3.1 氣候傾向率 通常用一次直線方程來描述氣候要素的變化趨勢[12]:

y(t)=a+bt

(1)

式中,t為時間序列,a為經驗系數,可通過回歸分析方法中的最小二乘法求取,b為趨勢變化率,當b為正(負)表示氣候要素有增加(減小)趨勢,b×10為氣候傾向率,表示氣候要素10a的變化速率。

1.3.2 Mann-Kendall方法 MK法[12]通過構造正序列(UF)和逆序列(UB)進行計算，根據正、逆序列統計量的曲線判斷氣象要素的變化趨勢及突變特征。該方法的優點是數據序列不需要遵從一定的分布,也不受少數異常值的干擾。

1.3.3 濕潤指數計算 濕潤指數是反映干濕程度的一個相對指標,它能客觀地反映某一地區的水熱平衡狀況[13]。計算公式為:

K=P/ET

(2)

圖1 青海省海東市5個氣象站點分布圖Fig.1 Five meteorological site map in Haidong City of Qinghai

式中,K為濕潤指數,P為降水量(mm),ET為潛在蒸散量(mm)。某一地區的濕潤指數越大,則表明該區氣候越濕潤,而濕潤指數越小,則氣候越干燥。潛在蒸散量又稱為最大可能蒸發或蒸發力,其計算方法很多,而由國家標準(GB/T20481-2006)《氣象干旱等級》推薦的Thornthwaite[14]方法計算相對簡單,需要的氣象要素少,因此本文采用此方法進行計算。具體的過程和公式可參考相關文獻[15]。

2 結果與分析

2.1 各要素年際和年代際變化

2.1.1 平均氣溫變化 1961-2015年海東市各站年平均氣溫差異明顯(2.7～8.9℃),近55年其變化趨勢基本一致,在波動中逐漸上升,各站年平均氣溫分別以0.25～0.42℃·(10a)-1的傾向率上升,整體平均氣溫上升傾向率為0.33℃·(10a)-1(圖2(a))；1990年之前的年平均氣溫距平以負距平為主，之后則以正距平為主。四季平均氣溫均呈現極顯著增高的趨勢,其中冬季增幅最大,達0.49℃·(10a)-1,春秋季次之,為0.28℃·(10a)-1；夏季增溫幅度最小,為0.27℃·(10a)-1，年和四季均通過0.01的顯著性檢驗。近55年海東市年平均氣溫的均值為6.2℃,最低值為4.9℃(1967年),最高值為7.7℃(2013和2015年)。年和四季平均氣溫分別升高了1.8、1.5、1.5、1.6℃和2.7℃。可見,海東市年和四季平均氣溫變化趨勢與全國[3]和青海省[9,16]年均溫和四季均溫變化趨勢相同。

從氣溫的年代際距平變化來看,海東市年平均氣溫年代際變化呈現明顯的變暖趨勢(表1),20世紀60年代、70年代和80年代平均氣溫總體偏冷,但期間氣溫已呈現年代際上升趨勢,90年代開始變暖加速,其后氣溫逐年升高且上升幅度逐年增大。

2.1.2 降水變化 在全球變暖背景下,中國近百年來降水量表現出不斷減少的趨勢,但是西部地區降水量呈明顯的增加趨勢,而且以西北地區表現最為明顯[16-17]。

海東市各站年降水量為266.4～518.1 mm,年降水日數為74.4～130.4 d,差異明顯。但近55年年降水量除循化站表現為增加趨勢外(3.1 mm·(10a)-1)其他4站表現為減少趨勢(-1.0～-16.9 mm·(10a)-1),僅互助站通過0.05的顯著性檢驗；年降水日數各站均表現為減少趨勢(-0.04～-7.5 d·(10a)-1),其中互助和化隆站減少趨勢明顯,氣候傾向率分別為-7.5 d·(10a)-1和-3.2 d·(10a)-1,其他三站減少趨勢不明顯。海東市整體年降水量和降水日數均表現為減少趨勢(圖2(b)和2(c)),氣候傾向率分別為-4.9 mm·(10a)-1和-2.3 d·(10a)-1,降水日數通過0.05的顯著性檢驗，降水量在1980年以前基本上以正距平為主,1980年以后以負距平為主,降水日數在1990年以前基本上以正距平為主,1990年以后以負距平為主。四季降水量和降水日數均表現為減少趨勢,降水量氣候傾向率分別為-0.12、-3.8、-1.0 mm·(10a)-1和-0.03 mm·(10a)-1,降水日數氣候傾向率分別為-0.8、-0.5、-0.9 d·(10a)-1和-0.2 d·(10a)-1,均未通過0.05顯著水平檢驗。海東市年降水量和降水日數多年平均分別為383.2 mm和101.7 d,最低值為268.0 mm(1991年)和82.2 d(2001年),最高值為586.2 mm(1961年)和139.6 d(1967年)，最多降水量約為最少降水量的2.2倍，最多降水日數約為最少降水日數的1.2倍,這說明海東市年際降水差異較大,存在明顯的豐水年和枯水年。

圖2 近55年青海省海東市各氣候要素的變化趨勢Fig.2 Change trends of climate elements in Haidong City of Qinghai Province during 1961-2015

表1 氣象要素的年代際距平變化

從近55年海東市降水量和降水日數的年代際距平變化來看,20世紀60年代降水量和降水日數明顯偏多,70年代降水量和降水日數偏少,80年代降水量偏少而降水日數偏多,進入90年代后降水量逐步增多而降水日數逐步減少,90年代和21世紀前十年降水量較氣候平均值增多了1.3 mm和3.3 mm,而降水日數減少了2.5 d和3.5 d(表1)。

2.1.3 相對濕度變化 海東市各站相對濕度差異相對較小(52.5%～63.4%), 1961～2015年海東市5站分別以(-0.31%～-1.26%)·(10a)-1的氣候傾向率減小，互助站的減小趨勢最大(-1.26%·(10a)-1)，循化站最小(-0.20%·(10a)-1)，樂都、化隆和互助通過0.05以上的顯著性檢驗。海東市整體平均相對濕度以0.7%·(10a)-1的氣候傾向率減少,達到了0.05的顯著性水平。近55年海東市年平均相對濕度已減少了3.7%(圖2(d))。相對濕度在1990年以前基本上以正距平為主，1990年以后以負距平為主。四季平均相對濕度也表現為減少趨勢,氣候傾向率分別為-1.3、-0.8、-0.5%·(10a)-1和-0.1%·(10a)-1,春夏季通過0.05以上顯著性檢驗。

2.1.4 風速和沙塵日數變化 雖然海東市各站年平均風速有較大差異,循化站多年平均風速在3.0 m·s-1左右,而其他4站多年平均風速小于2.0 m·s-1,但近55年各站年平均風速變化趨勢基本一致,分別以-0.10～-0.17 m·s-1的氣候傾向率減小。海東市整體年平均風速呈減小趨勢,氣候傾向率為-0.13 m·s-1·(10a)-1,達到了0.001的顯著性水平。近55年海東市年平均風速已減小了0.7 m·s-1(圖2(e))。四季平均風速也表現為較少趨勢,氣候傾向率分別為-0.18、-0.11、-0.11 m·s-1和-0.11 m·s-1,均通過0.001的顯著性檢驗。

由圖2(f)可知，海東市年平均沙塵日數在2.1～38.7 d之間,民和站多年沙塵日數在38.7 d,樂都和循化站次之,分別為15.4 d和11.9 d,互助站最少為2.1 d。近55年各站沙塵日數的變化趨勢基本一致,各站年沙塵日數分別以0.3～20.9 d·(10a)-1的氣候傾向率減小。海東市整體平均沙塵日數減小速率為6.3 d·(10a)-1,達到了0.001的顯著性水平。四季沙塵日數均表現為減少趨勢,氣候傾向率分別為-3.0、-0.6、-0.6 d·(10a)-1和-2.1 d·(10a)-1,均通過0.001的顯著性檢驗。

2.1.5 云量的變化趨勢 由圖2(g)看出，在過去的55 a中,各站多年平均云量為5.3～5.9成。從各站來看,5站年平均云量均為減少趨勢(-0.01～-0.18成·(10a)-1),其中,民和、樂都、化隆和互助站減少趨勢通過了0.001的顯著性檢驗,而南部的循化站沒有通過顯著性檢驗。從整個海東市來看,年平均云量略有減少,減少速率為0.12成·(10a)-1,未通過0.05顯著性檢驗；春、夏、秋、冬平均云量也表現為減少趨勢,氣候傾向率分別為-0.16、-0.12、-0.14成·(10a)-1和-0.17成·(10a)-1,春秋季通過0.001顯著性檢驗,夏季通過0.01顯著性檢驗。

2.1.6 日照時數變化 日照時數是一個重要的表征氣候變化的氣象要素，也是多種因子(如云量、氣溶膠、水汽含量)等共同作用于太陽輻射的結果。1956-2005年全國日照時數以0.136 h·(10a)-1減少[20]。海東市光照資源相對比較充足,各站多年平均日照時數為2 447.6～2 681.7 h，近55年各站日照時數均表現為減少趨勢(-4.7～-69.7 h·(10a)-1),民和、樂都和化隆站通過0.05以上顯著性檢驗。海東市整體平均日照時數以-36.6 h·(10a)-1的氣候傾向率呈極顯著的減少(圖2(h)),通過0.01顯著性檢驗,日照時數在1990年以前基本上以正距平為主,1990年以后以負距平為主。四季日照時數均表現為減少趨勢,氣候傾向率分別為-0.01、-11.6、-8.6 h·(10a)-1和-16.4 h·(10a)-1,夏冬季通過0.05以上顯著性檢驗。

2.1.7 潛在蒸散量變化 海東市各站潛在蒸散量在398.4～553.6 mm之間。各站年潛在蒸散量以1.4～9.7 mm·(10a)-1的氣候傾向率極顯著增大,其中樂都站氣候傾向率高達9.7 mm·(10a)-1。海東市平均年潛在蒸散量以7.9 mm·(10a)-1的速率呈極顯著增加趨勢(圖2(i))。55年海東市平均年潛在蒸散量已增加了43.7 mm,春夏秋季潛在蒸散量分別以2.5、3.0 mm·(10a)-1和2.3 mm·(10a)-1的氣候傾向率極顯著增大,年和春夏秋季均通過0.01顯著性檢驗。

統計分析海東市1961-2015年潛在蒸散量與同期年平均氣溫、降水量、降水日數、日照時數、平均風速、相對濕度和云量的相關關系(表2),可以發現,潛在蒸散量與年平均氣溫呈極顯著的正相關,而與年降水量、降水日數、相對濕度、平均風速、日照時數和云量呈負相關,平均氣溫、降水日數、相對濕度和云量通過0.001顯著性檢驗,日照時數和平均風速通過0.05的顯著性檢驗,降水量未通過顯著性檢驗,說明影響海東市潛在蒸散量變化的氣候因素是復雜多樣的。近55年,盡管海東市平均氣溫呈上升趨勢,但由于風速、日照時數、降水日數、云量和相對濕度等氣象因子的減小對潛在蒸散的增加作用不能完全補償氣溫上升的影響,導致潛在蒸散量總體呈極顯著的增加趨勢。

2.1.8 濕潤指數變化 55 a來,海東市各站濕潤指數在0.48～1.24之間。受降水量變化趨勢不明顯和潛在蒸散量增加的共同影響,近55 a海東市各站濕潤指數均為減小趨勢,其中,氣候最為濕潤的互助站減小趨勢最大,氣候傾向率為-0.08·(10a)-1,相反,氣候最為干燥的循化站濕潤指數變化不明顯。海東市年平均濕潤指數以氣候傾向率0.02·(10a)-1呈減小趨勢(圖2(j)),春夏秋三季濕潤指數也呈現減小趨勢, 年和春夏秋季均未通過顯著性檢驗。

表2 海東市潛在蒸散量與氣象因子的相關關系

注：**表示P<0.05水平顯著，***表示P<0.001水平顯著。

Note: **: Correlation is significant atP<0.05; ***: Correlation is significant atP<0.001 level.

2.2 各要素突變檢測

利用Mann-Kendall方法分別對海東市1961-2015年年平均氣溫、降水量、降水日數、日照時數、風速、相對濕度、潛在蒸散量和濕潤指數等要素進行突變檢測,圖3給出了海東市平均氣溫、降水日數、風速和日照時數的突變檢驗(其余圖略)。結果表明,近55年年平均氣溫和潛在蒸散量分別在1995-1996年和2001年發生了顯著的突變性升高,年平均風速、降水日數、日照時數、總云量和相對濕度分別于1982年、1993-1994年、2002-2003年、1984年、2009-2010年發生顯著的突變性減小,降水量和濕潤指數的變化未達到突變標準。綜合氣溫和濕潤指數的突變特征,可以認為,海東市氣候在1995-1996年發生了“暖干化”的突變。這與文獻[19]提出的“西北地區氣候在1987年前后發生了由暖干向暖濕轉變”的論述有一定差異,這可能與研究區域和分析技術方法不同有關。

2.3 氣候變化的可能影響因子

氣候要素的變化與區域環流因子及濤動、季風等重要指示因子有密切的關系。受北半球大氣環流影響的青海省海東市氣溫和降水將如何對大氣環流、濤動指數及季風等作出響應,本文對海東市1961-2015年氣溫、降水與北極濤動(AOI)、青藏高原指數(TPI)、西風指數(WCI)、東亞夏季風指數(EASMI)和南亞夏季風指數(SASMI)等序列進行相關分析(表3)。

海東市冬季氣溫與青藏高原指數、西風指數、北極濤動指數的相關系數分別達0.60、0.40和0.31,相關性較好,變化趨勢基本一致,而夏季氣溫僅與青藏高原指數相關較好,為0.35。青藏高原大地形的熱力和動力作用對大氣環流和氣候產生一定的影響。熱力性質差異(主要是積雪面積和植被狀況的變化)對周邊地區的氣溫產生重要的影響，而高原的動力作用(繞流)使得高原北側強勁的西風氣流與南下的西北氣流在高原東北側匯合,從而影響著該地區的氣溫。研究表明北極濤動對北半球大氣環流以及冬、春季北半球近地面許多氣候要素都有顯著影響[19-20],冬季北極濤動通過影響西伯利亞高壓和東亞大槽來影響冬季風,進而影響冬季氣溫,而海東市是冬季西伯利亞高壓南下必經之地,南下強勁的西伯利亞高壓途經并控制該地區,對區域氣溫產生重要影響。此外,東亞夏季風指數和南亞夏季風指數的強弱對海東市的氣溫也有一定的影響。

圖3 海東市平均氣溫、降水日數、風速和日照時數突變檢驗Fig.3 Mutation test of mean temperature, precipitation days, wind speed and sunshine hours in Haidong City

表3 氣候變化和影響因子的相關分析

注：*表示P<0.05水平顯著;**表示P<0.01水平顯著。

Note: * correlation is significant ofP<0.05 level; ** correlation is significant atP<0.01 level.

海東市夏季降水量與南亞夏季風指數、北極濤動指數和西風指數有較好的負相關，相關系數分別為0.35、030和0.26,東亞夏季風對冬季降水量有一定的影響，相關系數為-0.24。該地區處于東亞季風區和南亞季風區的邊緣地帶,受季風和西風的共同影響。當夏季風指數強時,南亞季風向北推移,西風西退,在水汽充足的情況下,可以發生有效降水；而夏季風指數弱時,該區域受西風和季風交替控制，大氣含水量不足,無法形成有效降水。

3 討 論

海東市處于西北干旱區的西緣,除了受西風環流系統影響外,還受到季風的影響,氣候復雜多變,在全球氣候變暖的背景之下，研究各個氣候要素的變化趨勢顯得十分重要。與已有研究結論相比，海東市氣溫的增加趨勢明顯高于全國水平[2](0.22℃·(10a)-1)而低于青海省[8](0.36℃·(10a)-1),與青海省東部農業區[9](0.32℃·(10a)-1)基本持平，降水量的變化趨勢與青海省整體[8](3.3 mm·(10a)-1)相反，和東部農業區[9](-5.23 mm·(10a)-1)基本相符，潛在蒸散量增加(7.9 mm·(10a)-1)而濕潤指數減小(-0.02·(10a)-1),表現出不明顯的暖干化趨勢，這與張紅麗等[21]對中國大多數地區1956-2000年潛在蒸散量變化趨勢的研究結果基本一致，也與劉德坤等[22]和徐靜等[23]分別研究青海省整體和青海省東部地區氣候趨于暖干的結果相一致。王慧[24]、雷生國[25]、劉義花[26]等分別對青海省風速、日照時數和海東市沙塵天氣分析指出,風速、日照時數和沙塵天氣均呈顯著的減少趨勢,與本研究結果基本一致。綜合上述可以看出，海東市平均氣溫增加明顯,對全球變暖較敏感,特別是冬季增溫幅度最大(達0.49℃·(10a)-1),冬季溫度的增加對干旱區有很重要的影響，加大農田土壤蒸發量,導致土壤含水量下降和失墑,對農牧業生產產生重大影響。而全年和四季降水量微弱的減少趨勢和降水日數的顯著減少,將會導致短時強降水的出現,容易引發夏秋季暴雨山洪和泥石流等地質災害的發生,也使得干旱發生的頻次增加,湟水河流域徑流量減少。

4 結 論

根據青海省海東市5個氣象觀測站近55 a的地面氣象資料和大氣環流指數資料,采用線性趨勢分析和相關分析等方法,對海東市氣候因子的時空分布特征及其影響因子進行了分析,主要結論為：

(1)近55年海東市隨著氣候變暖降水減少,總體呈不明顯的“暖干化”趨勢。年平均氣溫和潛在蒸散量呈現顯著的上升趨勢,年降水日數、平均風速、沙塵暴日數、日照時數、云量和相對濕度表現為顯著的減少趨勢。濕潤指數和降水量表現為不顯著的減少趨勢。

(2)海東市年平均氣溫和潛在蒸散量分別在1995-1996年和2001年發生了顯著的突變性升高,年平均風速、降水日數、日照時數、總云量和相對濕度分別于1982年、1993-1994年、2002-2003年、1984年、2009-2010年顯著的突變性減小,降水量和濕潤指數的變化未達到突變標準。

(3)海東市冬季氣溫變化與青藏高原指數、北極濤動指數和西風環流指數有明顯的正相關關系，青藏高原的動力和熱力作用對高原東北側的海東市氣溫變化有很重要的影響，而該地區溫度還受由北極濤動引起的冬季風和西風環流的影響。海東市夏季降水量與南亞夏季風指數和北極濤動指數有較好的負相關，南亞夏季風的進退以及所攜帶的水汽是影響該區域降水量變化的主要因素之一。